CN113690473A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：基座，所述基座上具有原料氢气入口、第一空气入口，所述基座内具有与所述原料氢气入口、所述第一空气入口分别连通的处理腔；CO消除模块，所述CO消除模块的至少一部分设于所述处理腔内；发电模块，所述发电模块的至少一部分设于所述处理腔内，在原料氢气的流动方向上，所述CO消除模块位于所述发电模块的上游。根据本发明实施例的燃料电池堆具有容忍一定浓度CO的能力、CO消除模块和发电模块易于集成、降低燃料电池堆用氢成本等优点。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池制造技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池堆。
背景技术
燃料电池快速发展依赖于氢基础设施的建设和低成本氢气的便捷获取，蓝氢、灰氢、在线制氢等方式获得的非纯氢成本低廉、来源多样、分布广泛，是未来一段时间重要的供氢方式。非纯氢中含有的CO会导致燃料电池使用的Pt催化剂中毒失效，降低燃料电池性能输出，是急需解决的技术难题。
燃料电池提升对CO的耐受能力可以通过使用高温质子交换膜燃料电池、阳极空气喷射、工况调控、使用改进膜电极等方式进行。这些方法都有一定效果但都尚未达到实用要求。高温质子交换膜燃料电池工作在120-180℃，在高温下，CO相比于H2在Pt催化剂上的吸附能力减弱，使得燃料电池能够耐受更高水平的CO，研究显示，高温质子交换膜燃料电池能够耐受高达5％的CO，且运行温度越高，耐受能力越强。然而，高温质子交换膜燃料电池还存在着PBI膜电导率不高，磷酸流失导致的耐久性差和冷启动时间长等问题。工控调控的方法是指通过改变燃料电池运行的条件如提升运行温度、增大阴极背压等来减缓CO的毒化，但这些方法只适合在短期运行时缓解毒化，无法从根本上解决高浓度CO毒化问题。阳极空气喷射是向非纯氢中混入一定量的空气，利用氧气把Pt表面的CO清除掉，可快速消除CO的毒化影响，但会造成Pt溶解和质子交换膜的加速老化。
改进膜电极是研究热点，更具发展前景。膜电极的改进主要有两种模式，一是改变阳极催化剂组分，二是改变膜电极构型。常用二元或多元合金催化剂替代传统碳载铂(Pt/C)催化剂，提高CO耐受力的同时还具备高的氢氧化(HOR)活性，如PtRu/C、Ru/C、PtMo/C、PtCo/C等，改变膜电极构型方面，常见的是以CCM为基础，外加能够氧化CO的辅助催化剂，在膜电极层面进行辅助催化剂和Pt电催化剂的匹配，达到消除CO同时具备高发电性能的膜电极。这一方式有三点不足，一是辅助催化剂和点催化剂位置很近，CO极易消除不完而毒化Pt催化剂层，电堆耐受CO提升水平有限，二是CO处理催化剂需分布在每片膜电极上，增加成本，三是膜电极构型和催化剂载量大影响传质传荷，所得到的膜电极性能不一定能得到提升。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种燃料电池堆，该燃料电池堆具有容忍一定浓度CO的能力、CO消除模块和发电模块易于集成、降低燃料电池堆用氢成本等优点。
为实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：基座，所述基座上具有原料氢气入口、第一空气入口，所述基座内具有与所述原料氢气入口、所述第一空气入口分别连通的处理腔；CO消除模块，所述CO消除模块的至少一部分设于所述处理腔内；发电模块，所述发电模块的至少一部分设于所述处理腔内，在所述原料氢气的流动方向上，所述CO消除模块位于所述发电模块的上游。
根据本发明实施例的燃料电池堆，具有容忍一定浓度CO的能力、CO消除模块和发电模块易于集成、降低燃料电池堆用氢成本等优点。
另外，根据本发明上述实施例的燃料电池堆还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一些实施例，所述CO消除模块包括CO消除膜电极，所述CO消除膜电极的阳极侧涂覆有氧化CO的催化剂。
根据本发明的一些实施例，所述氧化CO的催化剂为PtRu/C、Ru/C、Pt/C、PtM/C二元合金催化剂、PtMN/C三元合金催化剂中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述CO消除膜电极至少设有一个，所述CO消除膜电极的数量与所述原料氢气中CO的浓度正相关。
根据本发明的一些实施例，所述基座上还具有第二空气入口，所述原料氢气入口内进入的原料氢气与所述第二空气入口内进入的空气混合后流向所述CO消除模块的进口。
根据本发明的一些实施例，所述第二空气入口内空气的进气量与所述原料氢气中CO的浓度正相关，所述第二空气入口内空气的进气量与所述原料氢气入口内原料氢气的进气量的比值大于0.5％且小于5％。
根据本发明的一些实施例，所述发电模块包括至少一个发电膜电极，所述发电膜电极的阳极侧与所述CO消除模块的出口连通，所述发电膜电极的阴极侧与所述第一空气入口连通。
根据本发明的一些实施例，所述CO消除模块的工作温度低于发电模块的工作温度。
根据本发明的一些实施例，所述基座还具有冷却液入口和冷却液出口，所述基座内具有与所述冷却液入口和所述冷却液出口连通的冷却液流路，所述冷却液流路先流经所述CO消除模块后流经所述发电模块。
根据本发明的一些实施例，所述基座包括：第一端板和第二端板，所述原料氢气入口、所述第一空气入口和所述冷却液入口设于所述第一端板，所述第二空气入口和所述冷却液出口设于所述第二端板；多个双极板，多个所述双极板设于所述第一端板与所述第二端板之间，所述第一端板、所述第二端板和多个所述双极板限定出所述处理腔和所述冷却液流路。
根据本发明的一些实施例，所述CO消除模块包括多个CO消除膜电极，所述发电模块包括多个发电膜电极，每个所述CO消除膜电极夹持在相邻的两个所述双极板或所述双极板和第一端板之间，每个所述发电膜电极夹持在相邻的两个所述双极板或所述双极板和第二端板之间。
根据本发明的一些实施例，所述基座还包括紧固件，所述紧固件分别与所述第一端板、所述第二端板和多个所述双极板相连。
根据本发明的一些实施例，所述基座还设有第一集电板和第二集电板。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的燃料电池堆的结构示意图。
附图标记：燃料电池堆1、原料氢气入口101、第一空气入口102、冷却液入口103、第一端板110、第二端板120、双极板130、第一集电板141、第二集电板142、CO消除膜电极210、发电膜电极310。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池堆1。
如图1-图2所示，根据本发明实施例的燃料电池堆1包括基座、CO消除模块和发电模块。
在一些实施例中，基座上具有原料氢气入口101、第一空气入口102，原料氢气入口101用于通入原料氢气，这里需要理解的是，原料氢气为非纯氢气，原料氢气中至少包括H2和CO，例如原料氢气包括H2、CO和CO2。第一空气入口102用于通入空气，基座内具有处理腔，处理腔分别与原料氢气入口101、第一空气入口102连通。这样原料氢气和空气可以根据需要分别进入基座内的发电模块的阴极侧和阳极侧进行发电。
CO消除模块的至少一部分设于处理腔内，发电模块的至少一部分设于处理腔内，在原料氢气的流动方向上，CO消除模块位于发电模块的上游。也就是说，CO消除模块和发电模块在非纯的原料氢气的流动关系上是串联的，原料氢气先流经CO消除模块消除CO，再流经发电模块进行反应发电。这样原料氢气中含有的CO气体可以在流经CO消除模块时发生反应被消除，降低非纯氢中的CO浓度，之后再进入发电模块中进行正常发电。
根据本发明实施例的燃料电池堆1，通过设置CO消除模块和发电模块，利用前置的CO消除模块集中消除原料氢气中的CO，使得原本不耐受CO的燃料电池堆1具有了容忍一定浓度CO的能力，可以降低对原料氢气纯度的要求，解决CO毒化的问题，有助于氢燃料电池的推广。
并且，集中式的处理CO有助于减少消除CO催化剂的用量，便于降低燃料电池堆1的用氢成本，从而降低燃料电池堆1的运行成本。在原料氢气流动过程中，还可以利用空气侧产生的水对原料氢气进行増湿，可以取消发电模块氢气侧(阳极侧)的增湿器。同时，CO消除模块和发电模块易于集成，对原有的燃料电池堆1结构上改动不大。
因此，根据本发明实施例的燃料电池堆1具有容忍一定浓度CO的能力、CO消除模块和发电模块易于集成、降低燃料电池堆1用氢成本等优点。
下面参考附图描述根据本发明具体实施例的燃料电池堆1。
在本发明的一些具体实施例中，如图1-图2所示，根据本发明实施例的燃料电池堆1包括基座、CO消除模块和发电模块。
在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，CO消除模块包括CO消除膜电极210，CO消除膜电极210的阳极侧涂覆有氧化CO的催化剂。在工作过程中，原料氢气入口101通入的原料氢气可以流向CO消除膜电极210的阳极侧，原料氢气中的CO在CO消除膜电极210的阳极侧发生氧化反应而被去除掉，从而降低原料氢气中CO浓度。同时，燃料电池堆1的发电模块的空气侧(阴极侧)反应产生的水可以汇集到CO消除膜电极210的阴极侧，经过去除CO处理后的原料氢气能够利用从CO消除膜电极210的阴极侧渗透的水进行増湿，可以取消氢气侧的增湿器。
这里需要理解的是，发电模块可以包括发电膜电极310，发电膜电极310具有阴极侧(正极侧)和阳极侧(负极侧)。阳极侧通入除去CO处理后的原料氢气，以氢气为原料。阴极侧通入空气，以氧气为原料。发电膜电极310在发生反应后可以发电，同时生成水。
并且，CO消除模块包括CO消除膜电极210，CO消除膜电极210具有阴极侧(正极侧)和阳极侧(负极侧)。CO消除膜电极210的阳极侧通入原料氢气，以原料氢气为原料发生反应，除去其中的CO。发电膜电极310产生的水可以汇集到CO消除膜电极210的阴极侧(正极侧)，经过去除CO处理后的原料氢气能够通过CO消除膜电极210的阴极侧渗透过来的水进行増湿。
在一些可选实施例中，氧化CO的催化剂为PtRu/C、Ru/C、Pt/C、PtM/C二元合金催化剂、PtMN/C三元合金催化剂中的至少一种，其中M、N为其他种类金属元素。这样通过催化剂的催化作用，可以使CO与空气中的氧气发生反应，以便于去除原料氢气中的CO。
可选地，CO消除膜电极210至少设有一个，CO消除膜电极210的数量与原料氢气中CO的浓度正相关。也就是说，CO消除膜电极210为一个或多个，CO消除膜电极210的片数由原料氢气中CO的浓度确定。
在本发明的一些实施例中，基座上还具有第二空气入口，第二空气入口内的空气来源于燃料电池堆1的空气供给端，第二空气入口邻近原料氢气入口101设置。原料氢气入口101内进入的原料氢气与第二空气入口内进入的空气混合后流向CO消除模块的进口。这样在CO消除模块的催化剂的作用下，CO可以与空气中的氧气发生反应，以除去原料氢气中的CO。
在一些具体实施例中，第二空气入口内空气的进气量与原料氢气中CO的浓度正相关，也就是说，第二空气入口内空气的进气量由原料氢气中CO的浓度确定。进一步地，第二空气入口内空气的进气量与原料氢气入口101内原料氢气的进气量的比值大于0.5％且小于5％。这里需要理解的是，进气量是指气体的体积流量。
在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，发电模块包括至少一个发电膜电极310，发电膜电极310的阳极侧与CO消除模块的出口连通，发电膜电极310的阴极侧与第一空气入口102连通。这样除去CO处理后的原料氢气可以流向发电膜电极310并在发电膜电极310的阳极侧发生反应，第一空气入口102进入的空气可以流向发电膜电极310的阴极侧并在发电膜电极310的阴极侧发生反应，由此发电膜电极310可以发电。
在一些可选实施例中，CO消除模块的工作温度低于发电模块的工作温度。这样在CO消除模块去除CO时可以抑制原料氢气中的H2发生反应。
可选地，如图1所示，基座还具有冷却液入口103和冷却液出口，基座内具有与冷却液入口103和冷却液出口连通的冷却液流路，冷却液流路先流经CO消除模块后流经发电模块。也就是说，冷却液由冷却液入口103流入冷却液流路，然后冷却液先流到CO消除模块，对CO消除模块进行冷却降温，之后冷却液再流到发电模块，对发电模块进行冷却降温，最后再从冷却液出口流出。
在一些具体实施例中，如图1所示，基座包括第一端板110、第二端板120和多个双极板130，原料氢气入口101和冷却液入口103设于第一端板110，第一空气入口102和冷却液出口设于第二端板120。多个双极板130设于第一端板110与第二端板120之间，第一端板110、第二端板120和多个双极板130限定出处理腔和冷却液流路。具体而言，多个双极板130夹持在第一端板110和第二端板120之间，第一端板110、第二端板120和多个双极板130夹紧固定设置。这样可以利用基座支撑和固定CO消除模块和发电模块，还便于在基座内形成CO消除模块、发电模块的安装空间、以及气体流道和冷却液流路，以便于燃料电池堆1工作发电。
可选地，第一端板110、第二端板120和多个双极板130可以分别加工有沿厚度方向贯通的通孔，第一端板110、第二端板120和多个双极板130贴紧配合在一起后，通孔可以形成气体流道和冷却液流路。
具体地，CO消除模块包括多个CO消除膜电极210，发电模块包括多个发电膜电极310，每个CO消除膜电极210夹持在相邻的两个双极板130或双极板130和第一端板110之间，每个发电膜电极310夹持在相邻的两个双极板130或双极板130和第二端板120之间。这样可以对CO消除膜电极210和发电膜电极310进行可靠的支撑和固定，还便于气体在CO消除膜电极210和发电膜电极310处进行反应。
在一些具体实施例中，基座还包括紧固件，紧固件分别与第一端板110、第二端板120和多个双极板130相连。可选地，紧固件可以为紧固螺栓，紧固螺栓依次穿过第一端板110、多个双极板130和第二端板120，紧固螺栓与螺母配合将第一端板110、多个双极板130和第二端板120压紧连接。
可选地，如图1所示，基座还设有第一集电板141和第二集电板142。具体而言，第一集电板141可以具有与外部输电结构连接的负极耳，第二集电板142可以具有与外部输电结构连接的正极耳。
本发明的燃料电池堆1，将原料氢气入口101附近若干片发电膜电极310替换为CO消除膜电极210，并改动气路结构，使非纯的原料氢气经过CO消除膜电极210，将CO转化为对燃料电池催化剂无毒害作用的气体，经纯化后的气体再送入后面的发电膜电极310中发电。这种燃料电池堆1构型利用前置的若干片CO消除膜电极210集中消除CO，使得原本不耐受CO的燃料电池堆1具有了容忍一定浓度CO的能力，具有消除CO模块和发电模块易于集成，对原有的燃料电池堆1结构上改动不大，并能降低燃料电池用氢成本的优势。
根据本发明实施例的燃料电池堆1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括：
基座，所述基座上具有原料氢气入口、第一空气入口，所述基座内具有与所述原料氢气入口、所述第一空气入口分别连通的处理腔；
CO消除模块，所述CO消除模块的至少一部分设于所述处理腔内；
发电模块，所述发电模块的至少一部分设于所述处理腔内，在所述原料氢气的流动方向上，所述CO消除模块位于所述发电模块的上游。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述CO消除模块包括CO消除膜电极，所述CO消除膜电极的阳极侧涂覆有氧化CO的催化剂。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，所述氧化CO的催化剂为PtRu/C、Ru/C、Pt/C、PtM/C二元合金催化剂、PtMN/C三元合金催化剂中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，所述CO消除膜电极至少设有一个，所述CO消除膜电极的数量与所述原料氢气中CO的浓度正相关。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述基座上还具有第二空气入口，所述原料氢气入口内进入的原料氢气与所述第二空气入口内进入的空气混合后流向所述CO消除模块的进口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述第二空气入口内空气的进气量与所述原料氢气中CO的浓度正相关，所述第二空气入口内空气的进气量与所述原料氢气入口内原料氢气的进气量的比值大于0.5％且小于5％。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述发电模块包括至少一个发电膜电极，所述发电膜电极的阳极侧与所述CO消除模块的出口连通，所述发电膜电极的阴极侧与所述第一空气入口连通。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述CO消除模块的工作温度低于发电模块的工作温度。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述基座还具有冷却液入口和冷却液出口，所述基座内具有与所述冷却液入口和所述冷却液出口连通的冷却液流路，所述冷却液流路先流经所述CO消除模块后流经所述发电模块。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述基座包括：
第一端板和第二端板，所述原料氢气入口和所述冷却液入口设于所述第一端板，所述第一空气入口和所述冷却液出口设于所述第二端板；
多个双极板，多个所述双极板设于所述第一端板与所述第二端板之间，所述第一端板、所述第二端板和多个所述双极板限定出所述处理腔和所述冷却液流路。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其特征在于，所述CO消除模块包括多个CO消除膜电极，所述发电模块包括多个发电膜电极，每个所述CO消除膜电极夹持在相邻的两个所述双极板或所述双极板和第一端板之间，每个所述发电膜电极夹持在相邻的两个所述双极板或所述双极板和第二端板之间。
12.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其特征在于，所述基座还包括紧固件，所述紧固件分别与所述第一端板、所述第二端板和多个所述双极板相连。
13.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其特征在于，所述基座还设有第一集电板和第二集电板。
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